基于嵌入式技術(shù)的遠(yuǎn)程戰(zhàn)場監(jiān)控系統(tǒng)

時(shí)趨于小型化外圍設(shè)備是嵌入式系統(tǒng)中用于完成存儲、通信、調(diào)試、顯示等輔助功能的其他部件日前常用的嵌入式外圍設(shè)備按功能可以分為存儲設(shè)備(如R、M，SR、M，F(xiàn)lash等)、通信設(shè)備( RS- 232接口、SPI接口、以太網(wǎng)接口等)和顯示設(shè)備(如顯示屏等)3類

嵌入式操作系統(tǒng)是從嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到第3階段才開始引入的嵌入式操作系統(tǒng)不僅具有通用操作系統(tǒng)的一般功能，如向上提供對用戶的接口(如圖形界而、庫函數(shù)API等)，向下提供與硬件設(shè)備交勺_的接口(硬件驅(qū)動程序等)，管理復(fù)雜的系統(tǒng)資源它還在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、硬件依賴性、軟件固化性和應(yīng)用專用性等方而具有更加鮮明的特點(diǎn)。

應(yīng)用軟件是針對特定應(yīng)用領(lǐng)域，基于某一固定的硬件平臺，用來達(dá)到用戶預(yù)期日標(biāo)的計(jì)算機(jī)軟件由于嵌入式系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，決定了嵌入式應(yīng)用軟件不僅要求滿足準(zhǔn)確性、安全性和穩(wěn)定性等方而的需要，而且還要盡可能地進(jìn)行代碼優(yōu)化，以減少對系統(tǒng)資源的消耗，降低硬件成本[‘一z}

嵌入式系統(tǒng)具有系統(tǒng)內(nèi)核小、專用性強(qiáng)、系統(tǒng)比較精簡，但嵌入式系統(tǒng)要求操作系統(tǒng)軟件的實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，嵌入式軟件的開發(fā)要求向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)需要專門的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具。

2監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)上，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心是嵌入式控制器嵌入式控制器是以高速處理器為核心，由高速處理器和其他芯片協(xié)同上作來控制的電子設(shè)備或裝置，能夠完成監(jiān)視、控制等各種自動化處理任務(wù)嵌入式控制器的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示

電源電壓為SV，輸出電壓分別為3. 3 V和1.8V，每路電源的最大輸出電流為750 xnA

2. 2接口電路設(shè)計(jì)

1)模擬量輸入接口模擬量輸入通適采用了TI公司生產(chǎn)的TLV2544芯片，當(dāng)與DSP芯片連接時(shí)，可用一個(gè)幀同步信號FS來控制一個(gè)串行數(shù)據(jù)幀的開始采用TMS320VC5402提供高速、雙向、多通適帶緩沖串行端口MCBSP，可用來與串行A/ D轉(zhuǎn)換器直接連接

2)以太網(wǎng)擴(kuò)展接口實(shí)現(xiàn)嵌入式戰(zhàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，首要的問題就是要讓遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備具有以太網(wǎng)接口臺灣Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)接口芯片可以讓嵌入式控制器具有通用計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口

3) RS- 232串行接口設(shè)計(jì)RS- 232- C并未定義連接器的物理特性，因此存在DB- 25, DB- 15和DB- 9等多種類型的連接器DSP為了同現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備的串口相連，我們用MAXIM公司的MAX3111來完成EL1到TTL電路之間的電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換

4) RS- 485串行通信接口RS- 485是為了適應(yīng)遠(yuǎn)距離、分布式控制系統(tǒng)的需要而制定的一種串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)它支持多竹點(diǎn)、遠(yuǎn)距離傳輸RS- 485標(biāo)準(zhǔn)采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動總線為了擴(kuò)展終端連接設(shè)備的數(shù)量，本設(shè)計(jì)增加了邵一485接口DSP與RS- 485串口的連接使用MAXIM公司的MAX3140UART通信芯片來完成

2. 3程序存儲器的擴(kuò)展

Flash存儲器與EPROM相比，具有更高的性能價(jià)格比，而且體積小，功耗低，可電擦寫，使用方便，并且3. 3 V的Flash可以直接與DSP芯片連接因此，采用Flash作為程序存儲器存儲程序和一些固定數(shù)據(jù)是一種比較好的選擇本系統(tǒng)的程序存儲器選用了1片AT29LV020 Flash存儲器此芯片有256KX8的存儲空間，最快讀取速度為100 ns所以在讀取程序時(shí)，要使卞頻低于10 MHz

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，將系統(tǒng)軟件的模塊劃分為6個(gè)模塊:卞控模塊、初始化模塊、協(xié)議封裝模塊、協(xié)議拆包重組模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊和應(yīng)用層應(yīng)用模塊圖4是各模塊之間的邏輯關(guān)系

31卞控模塊設(shè)計(jì)

卞控模塊中通常包含一些變量的定義和函數(shù)的調(diào)用另外一些重要的I/ 0端口定義也放在卞控函數(shù)中在卞控模塊中定義了延時(shí)信號函數(shù)、端口設(shè)置函數(shù)、同步串口設(shè)置函數(shù)、中斷服務(wù)函數(shù)等系統(tǒng)上作時(shí)程序從卞控模塊的main()函數(shù)開始運(yùn)行，首先是調(diào)用DSP及RTL8019AS的初始化程序，完成初始化之后，卞程序以一個(gè)無條件循環(huán)進(jìn)入上作狀態(tài)

3. 2初始化模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在運(yùn)行的時(shí)候首先要調(diào)用初始化程序，對系統(tǒng)的各資源進(jìn)行初始化，然后才能正常上作初始化模塊包括了4個(gè)初始化函數(shù)，分別是net_ init( ) , dsp5402_ init( ) ,interrupt_ init()，nic_ atl_ init()

3. 3協(xié)議封裝模塊設(shè)計(jì)

協(xié)議封裝部分的作用是將數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，并以不同的協(xié)議打包封裝使其成為符合TCP/ IP協(xié)議規(guī)范的分組數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)中，對于不同協(xié)議的封裝，分別由不同的函數(shù)實(shí)現(xiàn)在本系統(tǒng)中，監(jiān)控終端系統(tǒng)需要對位于網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議、位于傳輸層的TCP協(xié)議進(jìn)行封裝封裝順序是先傳輸層協(xié)議TCP封裝，后網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IP封裝之后傳入網(wǎng)絡(luò)接口模塊發(fā)送出去

3. 4協(xié)議拆包重組模塊設(shè)計(jì)

本模塊的上作過程是這樣的，數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)上被接收下來之后，首先會放在網(wǎng)卡芯片的內(nèi)存當(dāng)中，由DSP即網(wǎng)絡(luò)接口模塊將其讀入后進(jìn)行協(xié)議分解，根據(jù)協(xié)議的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)處理，如果是UDP封裝的數(shù)據(jù)則將其放入系統(tǒng)的接收緩沖區(qū)由DSP根據(jù)協(xié)議中序列號字段的值對數(shù)據(jù)包重新分組排隊(duì)，然后將數(shù)據(jù)拆包、合并，形成連續(xù)的數(shù)據(jù)流，傳送到應(yīng)用層作進(jìn)一步處理

4嵌入式TCP/ IP協(xié)議棧設(shè)計(jì)

嵌入式設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)勺_聯(lián)，一般都需要在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信的有關(guān)協(xié)議，其中一個(gè)重要問題就是如何實(shí)現(xiàn)嵌入式TCP/ IP協(xié)議棧日前使用)‘一泛的TCP/ IP協(xié)議棧有LWIP .uIP Z,inux IP等，這些協(xié)議棧具有一定的通用}h}，包含的協(xié)議內(nèi)容比較全，也比較復(fù)雜為了滿足軍用嵌入式系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)的要求，需要進(jìn)行嵌入式TCP/ IP協(xié)議的精簡工作。

軍用嵌入式系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)要求數(shù)據(jù)傳輸能夠保持安全穩(wěn)定，這里卞要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r為確保正常的數(shù)據(jù)傳輸，嵌入式TCP/ IP協(xié)議族應(yīng)至少包括IP .ICMP .ARP .TCP .UDP等基本協(xié)議，協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)如圖5所示

通過研究和具體編程，在Keil C laVision2開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的嵌入式TCP/ IP協(xié)議棧，各協(xié)議的基本實(shí)現(xiàn)過程如下

4. 1 IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

IP協(xié)議是TCP/ IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議IP報(bào)頭的標(biāo)準(zhǔn)長度為20字竹，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)域?yàn)? 500字節(jié)，除去IP頭之外還有1 480字竹可以為上層協(xié)議提供有效就數(shù)據(jù)載荷IP協(xié)議將上一層傳下來的報(bào)文加上IP首部和II校驗(yàn)合并發(fā)往下一層，并且對下一層傳上來的報(bào)文進(jìn)行校驗(yàn)和檢查，將校驗(yàn)正確的去掉IP首部，送往上一層一般可以不考慮數(shù)據(jù)報(bào)分段的問題，即不允許數(shù)據(jù)報(bào)超出IP包就有效載荷，這樣簡化可以省去軟件處理IP數(shù)據(jù)分段和重組的開銷，可以提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性[a{為了便于ihi試，需要實(shí)現(xiàn)PING程序，在收到I(1VIP的回顯請求包后拉照格式組裝一個(gè)ICMP的回顯應(yīng)答包并發(fā)送相關(guān)的、函數(shù)有:

4. 3 UDP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

UDP的數(shù)據(jù)傳輸是無連接的、不可靠的，具有對網(wǎng)絡(luò)資源開銷較小、數(shù)據(jù)處理速度快的優(yōu)點(diǎn)U DP協(xié)議屬于簡單端到端的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，報(bào)頭只有8字y具體實(shí)現(xiàn)時(shí)要對應(yīng)用層傳下來的數(shù)據(jù)包加上U DP首部和UDP校驗(yàn)發(fā)往下一層，對下一層傳上來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)和檢查，如果正確則去掉U DP首部，提出數(shù)據(jù)送給應(yīng)用層需注意的是要產(chǎn)生一個(gè)偽首部用于U DP數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和計(jì)算涉及的卞要函數(shù)有:

5結(jié)束語

闡明了嵌入式控制器的硬件和軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程，包括微處理器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)、監(jiān)控設(shè)備的接口模塊實(shí)現(xiàn)TCP/ IP協(xié)議棧的精簡和實(shí)現(xiàn)等嵌入式遠(yuǎn)程戰(zhàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的成功實(shí)現(xiàn)將有很大實(shí)際應(yīng)用價(jià)值它不僅可以用于戰(zhàn)場環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控，而且可應(yīng)用于邊防哨所等無人值守的地方，可以有效降低對人力物力的需求，增強(qiáng)對人員安全的保障。